ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備、表征及其光學(xué)性質(zhì)研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的壓電、熱點、光電特性,其禁帶寬度為3.37eV,室溫下激子束縛能高達(dá)60meV,遠(yuǎn)高于其它半導(dǎo)體材料。從結(jié)構(gòu)上來說,Zn原子和O原子在c軸方向上交替堆積將會引起兩個極性的(0001)-Zn面和(0001)-O面;另外,ZnO有三個快速生長的方向。利用這種獨特的結(jié)構(gòu)特性,現(xiàn)在諸多研究者已成功生長出了如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等新奇的ZnO納米結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出許

2、多不同于塊材的優(yōu)異特性,在制備納米光電子器件和納米電子器件方面將發(fā)揮重要作用。 納米材料的性質(zhì)與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān),制備工藝和方法對納米材料的結(jié)構(gòu)和物性有很大的影響。目前,納米材料制備科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢是加強控制過程的研究,例如對材料形狀、尺寸、表面和微結(jié)構(gòu)的研究,從而達(dá)到對其特殊性能進行研究和利用的目的。本文以高度有序氧化鋁模板同射頻磁控濺射法和熱蒸發(fā)方法相結(jié)合,制備出高度有序的ZnO納米結(jié)構(gòu)。由于模板的有序度、厚度、孔徑等因素

3、都將影響表面納米結(jié)構(gòu)的合成,我們系統(tǒng)地研究了氧化鋁模板的制備工藝,并通過一系列實驗制備出可控形貌的高度有序氧化鋁模板,并對其生長機制進行了探討。然后以高度有序的氧化鋁膜作為模板,利用射頻磁控濺射法和熱蒸發(fā)方法制備出了高度有序的ZnO納米孔和納米棒陣列。 掃描電子顯微鏡和透射電鏡不僅證實了所制備的納米結(jié)構(gòu)具有高的有序度,并證實所制備的納米結(jié)構(gòu)是單晶的,具有很好的結(jié)晶質(zhì)量。我們還對樣品進行了光致發(fā)光譜的測量,測量結(jié)果表明所制備的有序

4、納米結(jié)構(gòu)具有很強的紫外光發(fā)射,表明這些有序的納米結(jié)構(gòu)可潛在的應(yīng)用于紫外探測器中。通過透射電鏡、紅外吸收譜和透射譜研究了模板中雜質(zhì)的分布和不同退火溫度下氧化鋁模板中陰離子濃度的變化對ZnO納米孔陣列的影響,研究了高度有序納米結(jié)構(gòu)形成的機制。從紅外吸收譜中可觀察到,隨著退火溫度的升高,COO-伸縮振動的強度將減小,表明了退火可引起雜質(zhì)的分解導(dǎo)致陰離子濃度的減小。在電解制備模板過程中,電解質(zhì)當(dāng)中的陰離子在電場的作用下進入到氧化鋁模板內(nèi)部形成不

5、均勻的摻雜,正是這種不均勻的摻雜分布導(dǎo)致模板表面產(chǎn)生局域化負(fù)電荷,而局域化負(fù)電荷使沉積材料沿著模板的孔壁向上生長,最終導(dǎo)致了有序ZnO納米結(jié)構(gòu)的形成。高度有序的納米陣列不但體現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)單元的集體效應(yīng),而且它能反映單一納米結(jié)構(gòu)或者單元所不具備一些效應(yīng),避免了無序堆積而成的納米結(jié)構(gòu)所引起復(fù)雜晶粒間界面結(jié)構(gòu)的形成,有助于將由量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)所導(dǎo)致的奇特的物理化學(xué)的機理搞清楚,利于其應(yīng)用。 雖然簡單形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)被成功

6、制備,甚至一些已應(yīng)用到納米器件中,然而在一些復(fù)雜體系中,可能需要集成度更高的納米結(jié)構(gòu)。本文中,我們創(chuàng)造性的采用了兩步熱蒸發(fā)方法,制備出了可控形貌的分層次ZnO納米結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了單一納米結(jié)構(gòu)的集成。實驗中,首先在低溫區(qū)制備出了被少量氧化的Zn納米線。然后,在第二步中,把第一步所制備的樣片作為第二步的基片,放在高溫區(qū)域,并同時加熱Zn源,就可成功的制備出可控形貌的分層次ZnO納米結(jié)構(gòu)。通過改變制備過程中氧氣流量,實現(xiàn)了ZnO納米棒和納米管及納

7、米線的集成。透射電鏡、掃描電鏡和一系列可控的實驗研究了納米結(jié)構(gòu)的形貌的變化,從而推斷了形成機制。實驗結(jié)果表明在低的氧氣流量下,ZnO納米棒以螺旋位錯的生長機制從中心軸向的納米管/納米棒側(cè)壁生長出來,而高的氧流量會導(dǎo)致納米棒擇優(yōu)的沿著[001]方向從中心軸向的納米線表面生長出來。 此外,通過改變蒸發(fā)時間,我們實現(xiàn)了在納米管表面ZnO納米棒長度的控制。我們還證實了在第一步中適量氧氣通入的重要性,在第一步中氧氣的通入對實現(xiàn)分層次ZnO

8、納米結(jié)構(gòu)的形成起著重要作用。不同形貌光致發(fā)光譜的結(jié)果表明這些分層次納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)可通過可控的形貌來調(diào)制。整個實驗過程僅僅蒸發(fā)Zn粉,并不引進其它金屬雜質(zhì),避免了雜質(zhì)的引入對納米結(jié)構(gòu)的污染。這種簡單的兩步熱蒸發(fā)方法的采用,也避免了通常要制備分層次納米結(jié)構(gòu)所必須的高的溫度或復(fù)雜的合成過程,利于納米結(jié)構(gòu)在納米器件中的應(yīng)用。同時,這種簡單、便宜、免催化和低溫的方法不僅可以用來合成分層次的ZnO納米結(jié)構(gòu)還可能用在其它材料的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的制備中

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